王牌 土木工程的发展 1687 - 8094 1687 - 8086 Hindawi 10.1155 / 2020/4513761 4513761 研究文章 结构损伤的地铁隧道浅埋在淤泥层土壤堆载荷作用下 刘 Xue-zeng 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 0640 - 6517 唱 Yun-long 2 3 鑫 李敏 2 4 史 帮派 2 吴 Jian-xun 2 金 江 1 同济大学 上海200092 中国 tongji.edu.cn 2 上海Tongyan土木工程技术有限公司。 上海200092 中国 3 土木工程教育信息技术中心 上海200092 中国 4 上海工程研究中心的地下基础设施检测和维修设备 上海200092 中国 2020年 29日 5 2020年 2020年 24 9 2019年 3 4 2020年 09年 05年 2020年 29日 5 2020年 2020年 版权©2020 Xue-zeng刘et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

基于盾构隧道的结构损伤引起的土壤堆在地面上一段地铁在天津,中国,下段的变形和开裂过程土壤堆加载模拟。段的变化、螺栓和钢筋应力与堆的高度进行了分析。stagger-jointed组装的结果表明,盾构隧道,穿过海洋沉积淤泥的埋深10米,随着堆载荷的增加,损伤主要集中在拱顶和拱腰。当堆加载16.0 kPa,部分受损;拱顶的裂纹深度和螺栓轴向力丘加载达到38.6 kPa时迅速增加。分析结果与监测数据基本上是一致的。基于上述分析,丘加载的控制标准应38.6 kPa。这项研究的结果可以为控制提供数据参考和结构性保护土壤堆加载类似的地铁隧道。

 中国国家基础研究计划(973计划) 2015年cb057806 中国国家自然科学基金 51878497 厦门科技重大项目 3502年z20151006 国家电网科技项目 SHJJGC160053 1。介绍

城市基础设施建设的快速发展,轨道交通网络的不断完善,不同形式的新建筑,例如,土壤打桩、开挖,穿越,已经开始出现在地铁附近,它有一个特定的操作对隧道结构的影响。其中,土壤结构引起的安全隐患问题成堆的地面是著名的 1, 2]。黄( 3)报道,异常解决发生在一段153米的广州地铁由于堆加载在2013年。2014年,有多达16个突然沿着上海地铁土桩事件,中国,其中堆的最大高度超过一定部分达到7米,导致结构的最大横向扩张超过21厘米,拱顶的混凝土砌块的崩溃,和部分螺栓的断裂 1]。因此,研究隧道的变形和破坏过程的作用下土壤成堆具有重要意义提出合理的标准来控制土壤成堆,有效应对疾病引起的土壤成堆。

在目前研究土壤堆装载时,阿特金森和波茨( 4]利用室内模型试验来研究隧道衬砌的内力分布特征的土壤堆均布载荷作用下的结构。通过模型试验,吴和杜 5]探索隧道变形之间的关系,埋藏深度,丘的位置。根据这些研究,隧道埋深小于直径的两倍,丘应该远离中心线直径的两倍多的隧道。进行模型试验和三维数值分析,Zhang et al。 6)发现,整个土层压缩模量越大,影响越小堆的隧道。Hudoba [ 7)建立了一个有限元模型来研究现有的隧道结构的内力和变形土壤堆载荷作用下,和研究结果与实际情况吻合较好,当垂直连接刚度相对较大。你们( 8]研究了隧道沉降之间的关系和土壤堆加载和得出结论,隧道沉降增加大约线性增加堆加载。据杨et al。 9),隧道沉降范围成正比的土壤堆装载。基于上述结果,土壤丘对隧道结构的影响大大不同地质条件和埋藏深度。

在这项研究中,一个在天津地铁隧道部分,中国进行了研究,越过海洋沉积淤泥层的埋深10米。广泛的土壤堆积在地表发生在隧道运营期间,导致结构性疾病,如段开裂、漏水,板断裂,开放的关节,和分离的跟踪床上,摆出伟大的地铁运营安全的威胁。stagger-jointed组装的盾构隧道穿越海洋沉积淤泥层的埋深10米为研究对象,结构性疾病引起的土壤则是通过现场监测调查。此外,隧道变形和部分,螺栓,和钢筋应力变化随着堆的高度变化的分析,和段开裂的演化机制和结构性损坏了。此外,随着地面上的附加负载指数,提出了一种控制标准丘,有一定的参考价值土壤成堆的控制地铁隧道上方类似的地质条件。

 2。工程背景和疾病的调查结果 2.1。工程背景

的积累影响古代黄河、海河以及海洋动力学的作用,在本研究领域的研究对象主要是由冲积平原和海洋沉积平原,海洋沉积淤泥是广泛分布的,所以地铁隧道很敏感对地表土壤成堆。埋藏深度为8.1 - -10.4米和1.5米的地下水位,隧道在本节主要穿过淤泥层,与上覆土层被填补,粘土和淤泥(图 1)。隧道的外直径6.2米,由35厘米厚C50-reinforced混凝土段,和HRB335钢筋被用作主要的强化,环宽度为1.2米。每个环段stagger-jointed-assembled,包括三个标准块,两个相邻块,一块。M30螺栓圆周和纵向连接螺栓,使用与他们的成绩是5.8,和部分结构如图 2。如图 3,土壤丘主要范围从K2 K2 + 913 + 800,有8米的高度。

地质剖面土壤丘地区。(一)垂直部分。(b)横截面。

段结构。

位置和范围的土壤丘和隧道。

 2.2。检查土壤堆载荷作用下结构的疾病

根据现场监测和测试数据,隧道生了一个大的额外的负载从上面的堆中,导致各种疾病,例如结构变形、开裂、漏水,打开关节,板断裂。此外,K2 + 843 - K2 + 903的部分比其他部分更严重的结构性疾病。疾病的分布如图 4。

布局和隧道疾病的草图。(a)节布局主要疾病的K2 + 873∼K2 + 885。(b)分布的隧道的破坏。(c)典型隧道的疾病。

 2.2.1。变形和结算

部分的结构从K2 + 850 - K2 + 900是畸形的,9.6厘米的最大水平变形位于K2 + 878段。nondamaged部分的变形基本上是2∼4厘米的距离。可以认为横向扩张引起的负载是5.6 - -7.6厘米,和本节的隧道沉降也最大(11.3厘米)(图 5(一个))。

测试数据的隧道。(一)隧道变形和沉降的测试数据。(b)裂纹深度的测试数据。(c)测试数据开放的关节和断层板结束。

 2.2.2。破解

如图 5 (b),大量的纵向裂缝形成相邻弧块部分的K2 + 850 - K2 + 895和渗透整个环段的轴向方向。裂纹深度是5 - 15厘米,最大深度位于地下室的K2 + 875,而裂缝nondamaged部分并不发达。

 2.2.3。板的关节和断层结束

部分从K2 K2 + 903 + 861,明显的入侵的迹象被发现在前(图块 4)。纵向接头的最大开放是12毫米,和板的最大断裂纵向接头达到11.0毫米,而纵向接头的开放和板断裂以nondamaged部分约8.5毫米和6.5毫米,分别。因此可以看出,在本节中,纵向接头的开放和断层板的目的是增加了3.5和4.5毫米,分别将丘(图 5 (c))。

 2.2.4。漏水

可以推断出,阴阜不仅造成明显的关节变形金库也导致了大型联合变形外部一侧的拱腰,导致关节的防水性能的降低和漏水的风险。发现有密集的漏水损害在拱腰和弧底部分的K2 K2 + 903 + 846,其中一些是伴随着砂漏,这与关节变形(图是相一致的 4)。

检验结果表明,地铁隧道丘下遭受了极其严重的破坏。一些研究人员的研究表明,开放关节和漏水量将减少结构的强度和可能改变隧道的应力状态 10, 11]。在极端情况下,漏水处理土壤侵蚀和可能导致岩土灾害( 12]。

在此基础上,压力、变形特征、损伤演化机制下的隧道丘加载进行了数值分析,实地测量和计算分析结果进行了比较,和标准提出了控制土壤堆积在地面。

 3所示。隧道的结构状态下土壤堆加载 3.1。分析方法

在这项研究中,建立了一个三维有限元模型,包括地层、丘、隧道、螺栓和钢筋。为了简化计算,根据现场试验结果,部分从K2 K2 + 885 + 873,即,最严重的损坏部分,进行了分析。十环轴向方向的提取使用的建模(图 6)。隧道段和上面的土壤和阴阜网状是六面体的固体元素。螺栓和钢筋与梁段的网状元素。段之间的摩擦接触是,领带约束段和土壤之间的使用。的位移 Z底面的方向约束,位移 X方向是左右,约束和位移 Y为前后方向的限制。

计算模型。整个模型(a)。(b)隧道模型。

根据研究目标,基于本构模型应用的土壤,采用塑性损伤本构模型的部分,弹塑性模型被用于螺栓和钢筋,硬触点用于接触正常的方向,使用和摩擦接触切向方向的摩擦系数为0.6 ( 13]。土层的物理力学参数提取的详细岩土调查天津地铁2号线项目。混凝土、钢筋、螺栓参数是基于混凝土结构设计的代码(GB 50010 - 2010) 14),和表 1显示模型的材料参数。

材料参数。

材料 密度(公斤/米3) 弹性模量(MPa) 泊松比 扩张角(°) 摩擦角(°) 流动应力比
丘土层① 1930年 29.4 0.30 33.0 15.0 0.804
杂填土层② 1940年 30.6 0.30 33.0 15.0 0.804
③粘土层 1930年 26.0 0.43 36.2 19.0 0.804
淤泥土层④ 1930年 17.3 0.41 27.8 14.0 0.85
淤泥土层⑤ 1920年 16.0 0.39 41.9 23.0 0.78
⑥粉砂质粘土层 2020年 29.4 0.41 43.3 24.0 0.78
淤泥土层⑦ 2020年 25.6 0.33 45.8 26.0 0.78
淤泥土层⑧ 1940年 23.7 0.31 34.6 18.0 0.81
粉质粘土 1930年 27.1 0.35 34.0 17.8 0.81
混凝土 2500年 34.5×103 0.20 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
螺栓/钢筋 7850年 2.0×105 0.30 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

塑性损伤本构模型在有限元分析软件能够描述损伤程度的部分通过损伤因素。如图 7, σ t0混凝土的极限抗拉强度和吗 θ是损害的因素。在拉伸应力达到极限抗拉强度之前,损害因素是0;当混凝土的强度失败,变成1的破坏因素。

损伤因子和混凝土应力-应变曲线之间的关系。

模型建立后,初始状态的影响被平衡的地壳应力消除,然后,斜坡高度的影响模拟的增量0.01米,直到增加到8米。结构变形堆载荷作用下的损伤特征进行了分析。

 3.2。进化段土壤堆载荷作用下的结构损伤

数据 8- - - - - - 10表明,随着堆高度的增加,里面的拱顶,拱的内部,外部的右拱腰,左拱腰和外部受损和裂缝的先后。在初始状态,段的应力水平不高,这是在弹性应力表面上没有任何损害。当堆的高度达到了0.88米,破坏第一次出现在拱顶,逐步扩大环的方向和段的厚度。丘身高达到2米,相邻块的损伤深度扩大段的厚度的0.07倍,最大的伤害系数达到0.22。高度继续增加时,一个大范围的损伤区出现在相邻和穹窿顶块,拱底和损害赔偿也发现,正确的拱腰,左拱腰。投手丘时高6米,拱的破坏因素达到0.89,大约一半的损伤深度段的厚度。当堆高度达到8米,拱的破坏因素是1,表明混凝土拱是无效的。

混凝土的发展压力。 H代表土壤堆的高度。

混凝土损伤的发展过程与堆的高度。 H代表土壤堆的高度。

拱顶混凝土的损伤状态堆高度。

最大拉应力准则是用来确定段裂缝;裂缝宽度 w 计算使用方程( 1)(见代码设计的混凝土结构(GB 50010 - 2010) 14)有关每个参数的物理意义),和开发过程的深度和宽度的主要裂缝进行了分析(图 10): (1) w 马克斯 = α c r ψ σ 年代 E 年代 1.9 c 年代 + 0.08 d e 问 ρ t e 。

从图可以看出 11的深度和宽度的主要裂缝库基本上共享相同的发展趋势与损伤因素。阴阜高0.88米时,裂纹发生在段;丘达到1米的高度时,裂纹贯穿整个环段的轴向方向,深度增加到2.5厘米;随着堆高度的增加,纵向裂纹迅速扩展,裂纹深度增加到17.5厘米的身高达到了6.7米。根据现场检查的结果,拱顶的最大深度裂纹是15厘米,这是在良好的协议与仿真结果。

典型的裂纹发展定律与丘段拱顶高度。(一)发展过程中典型的裂纹。 H代表土壤堆的高度。(b)典型裂纹的深度和广度发展。注意:根据地铁设计规范》(GB 50157 - 2013) ( 15),允许裂缝宽度是0.2毫米当所使用的计算方法。

分析表明,开裂破坏内心的一面的拱顶和外部一边堆载荷作用下拱腰比较严重。根据现场检查的结果,拱顶的相邻块裂缝相对较发达,和水渗漏在拱腰突出。测试结果与数值分析结果有很好的一致性,验证上述计算方法的合理性。

 3.3。影响土壤堆结构和关节变形

图 12显示了开发过程的土丘下的结构变形(图中的箭头 12表明积极的结构变形和结算)。

发展隧道变形与堆高度和结算。

堆载荷作用下,隧道沉降和变形线性增加。当堆的高度达到8米,横向扩张是7.7厘米,拱顶的解决是11.8厘米。

受到上面的堆中,明显的纵关节和开板断裂发生在拱顶结束,而且随着堆的高度的增加线性增加(数据 13和 14)。前土壤堆积,纵向接头的最大打开金库的1.3毫米,没有明显的断层板结束。阴阜高5.8米时,纵向接头的打开顶部和相邻块4毫米,达到阈值允许设计,板的断裂是3.1毫米。堆的高度8 m时,纵向接头的开放达到5.3毫米,板两端的断层是大约4.0毫米。

板的关节和断层结束。

开发开放和纵向接头的断裂。

 3.4。影响土壤堆在螺栓和钢筋应力

土壤堆上也有很大的影响接头螺栓的应力和钢筋。之间的环形螺栓顶部和相邻街区为案例研究,如图 15前,压力只有11 MPa土壤堆积,这是远小于屈服强度。当堆的高度小于2米,螺栓应力缓慢增加,而一旦达到超过2 m,螺栓应力开始迅速增加,达到了屈服强度时,丘是3.5米高。

Stress-mound高度曲线段拱顶的螺栓。

丘下,压力水平的抗拉钢筋内的金库和外部拱腰是最重要的。如图 16钢筋的最大主应力在拱顶和拱腰127和104 MPa,分别在土壤堆积。随着堆高度的增加线性压力增加。当堆的高度达到了6.0米,内部的钢筋的金库被紧张了。当高度达到了8.0米,钢筋在外部一侧的拱腰被紧张了。

钢筋的最大主应力。(a)的最大主应力钢筋堆高度达到8米。(b)钢筋的最大主stress-mound高度曲线。

根据仿真结果,造成的横向扩张段丘是7.7厘米,拱顶的解决是11.8厘米,拱顶的裂纹深度是17.5厘米,和增加关节的开放和断层的板是4毫米。现场监测和测试结果表明,在投手丘,段的横向扩张增加了7.6厘米,隧道沉降是11.3厘米,最大裂纹深度是15厘米,板和关节的最大开放和断层分别为3.5和4.5毫米,分别。因此,仿真结果与实测一致。

 4所示。结论

在这项研究中,盾构隧道穿越海洋沉积淤泥层的埋深10米为研究对象,基于现场监测、检测、数值模拟,结构变形和破坏的过程土壤堆积在地表下探索,和数据结构变形、开裂,开放的关节,和螺栓轴向力在不同墩高了,这揭示了结构性破坏机制的影响下丘和提出的标准控制土壤堆积在地面上。主要结论如下:

土壤下丘、结构变形、钢筋应力、开放的关节线性增加,而混凝土损伤,裂纹深度和宽度和螺栓轴向力非线性发展。随着堆高度增加,拱顶、拱底,两边拱腰受损先后,拱顶的伤害是最严重的。堆高度达到一定值时,钢筋和螺栓内一侧的拱顶拉了,表明结构进入一个加速破坏阶段。

的体积重量堆在地面的研究对象在这项研究中, r,是19.3 kPa,当堆的高度 h地面上的堆加载 P = rh = 19.3 h。堆高度小于0.88米时,部分仍在一个安全的状态没有任何损害。高度是1米时,段被损坏和破裂,裂缝迅速穿过整个环段的纵向方向。高度小于2米时,关节的结构变形和开放并不明显,和拱顶的破坏深度段段的厚度只有0.07倍。高度超过2米,裂纹深度和螺栓压力迅速增加,以及螺栓产生了紧张当丘高3.5米。范围从3.5到8米高度时,抗拉钢筋的拱顶和拱腰了先后,关节,在库超过4毫米设计所需的代码。投手丘时高8米,主裂纹的库17.5厘米深,纵向接头的开放是5.3毫米,板断裂结束达到4毫米,螺栓和抗拉钢筋达到屈服强度,和垂直和水平收敛扩张分别为7.4和7.7厘米,分别。数值模拟数据与现场测试数据基本上是一致的。

一旦堆高度超过2米,部分裂缝发展相对明显,和螺栓压力也开始迅速增加。因此,对于隧道研究,建议堆高度应控制在2米;也就是说,地面上的堆加载不应超过38.6 kPa。

数据可用性

所有数据、模型和代码生成或使用在研究过程中都包含在这篇文章,可从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

本研究支持中国国家基础研究计划(973计划)(授予数量:2015 cb057806),中国国家自然科学基金(格兰特号码:51878497),厦门科技重大项目(批准号:3502 z20151006),和中国国家电网公司科技项目(批准号:SHJJGC160053)。

 邵 H。 黄 h·W。 张 d . M。 王 r . L。 案例研究对修复工作过度变形下盾构隧道意外在软粘土表面附加费 中国岩土工程杂志》上 2016年 38 6 1036年 1043年 在中国 魏 x J。 在香港 h·W。 魏 G。 余 g . H。 旋转和剪切位错地铁隧道变形由于邻近地面堆栈负载 中国岩石力学与工程学报 2018年 37 5 1281年 1289年 在中国 黄 Y。 地铁隧道操作风险分析和治疗措施后表面附加费 施工安全 2015年 33 8 58 60 在中国 阿特金森 j . H。 Potts d . M。 在无黏性土浅圆隧道的稳定 岩土工程 1977年 27 2 203年 215年 10.1680 / geot.1977.27.2.203 2 - s2.0 - 0017505670 吴 Q。 杜 美国J。 模型试验在地面堆载对现有盾构隧道结构的影响 中国的地下空间与工程学报 2014年 10 1 57 66年 在中国 张 m·G。 周 s . H。 黄 d . W。 吴 x Z。 刘 h . B。 分析表面附加费地铁盾构隧道的影响 岩石和土力学 2016年 37 8 2271年 2278年 在中国 Hudoba 我。 贡献承重混凝土静态分析隧道衬砌由盾构技术 隧道与地下空间技术 1997年 12 1 55 58 10.1016 / s0886 - 7798 (97) 85298 - 4 2 - s2.0 - 0030920281 叶 y D。 研究变形和运营地铁结构的健康诊断方法在软土 2007年 中国上海 同济大学 在中国 杨 Q。 张 d . L。 刘 z . C。 下的盾构隧道纵向沉降数值模拟本地加载 北京大学技术杂志》上 2012年 38 8 1220年 1224年 在中国 龚 c·J。 丁 w . Q。 Mosalam k . M。 节段隧道性能化设计的防水衬里使用混合计算/实验程序 隧道与地下空间技术 2020年 96年 103172年 10.1016 / j.tust.2019.103172 丁 W。 龚 C。 Mosalam k . M。 苏 K。 开发和应用集成的密封剂密封垫片试验装置的隧道节段关节 隧道与地下空间技术 2017年 63年 54 68年 10.1016 / j.tust.2016.12.008 2 - s2.0 - 85008714411 龚 c·J。 丁 w . Q。 谢 d . W。 参数调查密封剂在水下隧道节段关节增压的行为 隧道与地下空间技术 2020年 97年 103231年 10.1016 / j.tust.2019.103231 陈 f . Q。 田 W。 刘 z G。 张 z K。 试验研究匹配浇注混凝土表面的摩擦系数 中国港湾工程 2014年 202年 12 34 38 在中国 GB 50010 - 2010 代码设计的混凝土结构 2015年 中国,北京 中国建筑与建筑出版社 在中国 GB 50157 - 2013 代码设计的地铁 2014年 中国,北京 中国建筑与建筑出版社 在中国